蠕動泵流量的理論計算與試驗驗證

王道臣 陳志軍 韓玉明 李建冬

(北京機械設備研究所電液傳動與控制實驗室，北京 100854 )

蠕動泵是一種通過轉輥子使泵管蠕動從而傳送流體的輸送泵，因其輸送流體的無污染性以及氣液兩相流體的適應性等特點，是空間站流體輸送的重要元件之一。蠕動泵工作時，被輸送的流體只能在泵管里流動，不與泵體其他零件接觸，因而能夠避免流體被泵體污染或流體污染泵體。除空間站環(huán)境外，蠕動泵還廣泛應用于制藥、食品加工、化學工業(yè)、農業(yè)及水處理等行業(yè)[1]。

流量是蠕動泵的關鍵性能指標之一，其理論計算值與試驗值存在差值，有經驗的蠕動泵設計師可根據(jù)豐富的經驗在其初期設計時考慮這一差

值并進行修正，使其實際流量達到預期要求。筆者對蠕動泵流量的理論值和試驗值進行了對比分析，并得出兩者的相差系數(shù)，為以后的設計奠定良好的基礎。

1 蠕動泵的工作原理①

蠕動泵主要由驅動器、泵頭、泵管和控制器組成[2](圖1a)，泵頭主要由泵殼和轉輥子組成(圖1b)。驅動器在控制器的控制下帶動泵頭內的轉輥子轉動反復碾壓和釋放泵管，這種碾壓作用使泵管內產生真空，將被輸送的流體吸入泵管，泵管內的流體在轉輥子作用下排出，完成流體的輸送。

圖1 蠕動泵結構示意圖

2 蠕動泵流量的理論計算

在圖2中，轉輥子從位置A滾動到位置B，不考慮轉輥子碾壓泵管占有的體積，輸送流體的體積約等于圓弧AB段泵管內存儲的流體體積，即：

(1)

式中D——泵殼圓周節(jié)圓直徑，m；

d——泵管內徑，m；

Δq——圓弧AB段泵管內存儲的流體體積，m3；

θ——轉輥子轉動的角度，rad；

δ——泵管壁厚，m。

圖2 流量計算原理

蠕動泵輸入端轉動一圈時輸出的流量等于2π/θ個Δq，即：

(2)

式中q——蠕動泵的排量，m3。

則蠕動泵的流量為：

Q=rq-6

(3)

式中Q——蠕動泵的流量，m3/min；

r——蠕動泵的轉速，r/min。

由式(3)可見，在不考慮轉輥子碾壓泵管占有體積的前提下，蠕動泵流量與轉輥子數(shù)量及泵管壁厚等參數(shù)無關，只與泵管內徑、泵殼圓周節(jié)圓直徑和蠕動泵轉速相關。

3 蠕動泵流量的試驗數(shù)據(jù)

試驗所用蠕動泵的管內徑為4.8mm，泵殼圓周節(jié)圓直徑為60.4mm，泵內共4個通道。以自來水為工作介質，采用稱重法測量蠕動泵在不同轉速下第二通道和第四通道的流量，每個通道流量測量3次，取其平均值記錄(表1)。

表1 蠕動泵流量試驗值

4 試驗值與理論值的對比

根據(jù)表1中蠕動泵的試驗轉速按式(3)計算蠕動泵的理論流量。因蠕動泵第二、四通道的流量試驗值相差很小，因此以第二通道為例進行對比。蠕動泵流量試驗值與理論值如圖3所示，試驗值與理論值的比值如圖4所示。由圖3、4可知：蠕動泵流量的試驗值比理論值小，但兩者相差倍數(shù)較恒定，即試驗值是理論值的66%左右。

圖3 蠕動泵流量試驗值和理論值對比

圖4 蠕動泵流量試驗值與理論值的比值

通過觀察新泵管和工作一段時間后泵管的截面發(fā)現(xiàn)：新泵管截面為圓形，式(3)也是按泵管截面為圓形進行流量計算的；但工作一段時間后泵管的截面為橢圓形，即泵管被碾壓后無法完全回彈至圓形，這是造成蠕動泵流量的試驗值和理論值有差值的一個重要因素。同時，轉輥子碾壓泵管占有一定體積、泵殼工作圓的加工尺寸公差及泵管內徑公差等也可以影響蠕動泵流量。

5 結束語

蠕動泵流量的試驗值比理論值小，但兩者相差倍數(shù)比較恒定，即試驗值是理論值的66%左右，且這個倍數(shù)和泵管規(guī)格、轉輥子直徑及轉輥子數(shù)量等有關，這一點對今后設計蠕動泵具有一定的指導借鑒意義。

[1] 劉顯軍. 蠕動泵的結構原理及其應用[J].流體機械，1998，26(12)：38～40.

[2] 高慧瑩，劉濤，孫振杰. 蠕動泵原理及在化學機械拋光過程中的應用[J]. 電子工業(yè)專用設備，2010，(9)：48～51.